Mi is az az elektromágneses zavarvédelem? A túlfeszültség
2004/11. lapszám | Dr. Fodor István | 5682 |
Figylem! Ez a cikk 22 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Sorozatunk kezdő részében már szót ejtettünk az EMÖ kérdéskörének egyik területeként az EMP -ről, s a következőképpen írtuk le: különböző eredetű, elektromágneses impulzusoknak az ipari frekvenciás rendszerekre és eszközökre, illetve a gyengeáramú rendszerekre és eszközökre gyakorolt zavaró hatása. E jelenségekről szeretnénk itt átfogó képet adni.
E szaklap hasábjain már több cikksorozat is foglalkozott a túlfeszültségvédelem gyakorlati és részletkérdéseivel. Mi most az EMC felől közelítjük a kérdést a részletek taglalása nélkül.
Feszültség – túlfeszültség
Mindenekelőtt meg kell határoznunk milyen feszültségről is van szó: egy villamos berendezés kapcsán ugyanis számos feszültséget emlegethetünk: üzemi, maximális, próba, névleges stb. Mi itt kizárólag a tranziens, azaz rövididejű, nem ismétlődő, impulzusjellegű túlfeszültségekre korlátozzuk mondandónkat. Nem tartoznak tehát ide az üzemi jellegű túlfeszültségek, melyeknek mind keletkezési mechanizmusa, mind az ellenük való védekezés módja és eszköztára egészen más.
Villám vagy túlfeszültség?
Sokszor szinte egymás szinonimájaként használják a két szót a védelem kifejezés előtt, holott óriási különbség van a két terület között. A jól működő villámvédelem nem nyújt védelmet a túlfeszültség okozta károkkal szemben, s a túlfeszültségvédelem megléte nem befolyásolja a villámcsapás kockázatát. A két rendszer nem helyettesíti, hanem kiegészíti egymást.
A félreértést az okozza, hogy a túlfeszültségek sok esetben a villámcsapás nyomán jelennek meg hálózatainkban. De vajon csak így keletkezhet túlfeszültség? Nem. Az EMC korábban már említett EMP részterülete tovább osztható a túlfeszültség keletkezési módja szerint.
SEMP
A villamos berendezések, hálózatok ki- illetve bekapcsolása során is keletkeznek rövid idejű jelentős nagyságú túlfeszültségek.
LEMP
Kifejezetten a villámcsapások által keltett túlfeszültség tartoznak ide. Általában meredekebb felfutású, viszonylag nagy amplitúdójú impulzusok
NEMP
A nukleáris bombák robbanásakor keletkező, rendkívüli elektromágneses tér okozta túlfeszültségek területe. Általában polgári létesítmények tervezése során figyelmen kívül hagyjuk – érthető okoknál fogva.
A túlfeszültségek hatásai és következményei
A kis energiatartalmú, viszonylag lomha felfutású és kis amplitúdójú túlfeszültségek általában csak múló zavarjelként terhelik a villamos rendszereket. A nagyobb impulzusok azonban már súlyosabb következményekkel járnak.
Tűz vagy robbanás
Tűz- és robbanásveszélyes gázok illetve anyagok jelenlétében előfordulhat, hogy a levegő túlfeszültség okozta igénybevétel meghaladja annak villamos szilárdságát, és bekövetkezik az átütés. Ennek során a kialakuló nagy hőmérsékletű ívcsatorna – szerencsétlen esetben – képes belobbantani a közeget, tüzet vagy robbanást okozva.
Szigetelések meghibásodása
Minden villamos készülék, eszköz vezető és szigetelő anyagokból épül fel, s általában addig üzemképes, míg szigetelései épek. Ha a készülék kapcsain megjelenő túlfeszültség okozta igénybevétel nagyobb az adott szigetelés villamos teherbíró képességénél, bekövetkezik az átütés, s a berendezés tönkremegy, s sok esetben ki is gyullad.
Elektronikus eszközök tönkremenetele
A kisfeszültségű hálózatokon nagy tömegben előforduló elektronikus készülékek rendkívül érzékenyek a túlfeszültségekre: a rendkívül kis kiterjedésű félvezető átmenetek ugyanis már igen kis energiával roncsolhatók. (Ez a magyarázata, hogy sok esetben semmi látványos nyoma nincs a túlfeszültségnek, csak az elektronika megy tönkre.)
(Meg kell említeni ezen túlmenően azt is, hogy számos esetben a viszonylag kicsi, de többször is ismétlődő túlfeszültség igénybevétel az alkatrész élettartamának rövidülését eredményezheti.)
A védekezés lehetősége
A védekezés elve rendkívül egyszerű: vagy nem szabad megengednünk, hogy a túlfeszültség impulzus bejusson villamos rendszereinkbe, vagy ha bejutott már, akkor olyan értékűre kell csökkenteni, hogy készülékeink, eszközeink károsodás nélkül viseljék el jelenlétét.
A bejutás módjai
Alapvetően három módon juthat be túlfeszültség egy villamos hálózatba: kapacitív, induktív vagy galvanikus csatolással (ez utóbbit szokás vezetett túlfeszültségnek is hívni). Létezik egy negyedik mód is, amikor a villám keltette elektromágneses tér közvetíti az energiát a villamos készülék antennaként viselkedő vezető részébe, azonban a rendszerek tervezésénél az első három módot kell figyelembe vennünk.
A védekezés lehetőségei
A kapacitív és induktív csatolás esetében a védekezés módja a megfelelő árnyékolás alkalmazása és a rendszerek vezetékeinek, valamint a villámhárító levezetőinek átgondolt, megfelelő geometriájú elhelyezése.
A vezetett túlfeszültségek „kordában tartására” a túlfeszültséglevezetők szolgálnak. Ezek a villamos készülékek speciális kapcsolóként működnek: nyitott kapcsolóként viselkednek az üzemi feszültségek tartományában, s csak akkor zárnak, ha a megjelenő feszültség meghaladja megszólalási feszültségüket. Ekkor – mintegy rövidzárként viselkedve – kis értékre korlátozzák a védendő berendezés sarkain a feszültséget.
Az esetek nagy részében akár mindhárom bejutási mód lehetséges, ezért valóban szükséges a védekezési eszköz, a túlfeszültséglevezető betervezése és kiépítése. Mielőtt azonban ehhez folyamodnánk, meg kell győződni róla, hogy más módon nem tudjuk-e csökkenteni a zavarjelenséget, elsősorban a villamos rendszerek telepítési körülményeinek megváltoztatásával. Ezzel sok esetben jelentős mennyiségű készülék spórolható meg.
Mi a teendő?
A műszaki megoldás
A rendkívül szerteágazó problémakörre általános érvénnyel nem lehet műszaki megoldást javasolni, hiszen egy nagyméretű épület szerver termére, egy ipari folyamatirányító rendszerre egészen más megoldást kell adni, mint egy irodára vagy lakásra.
A már kivitelezett rendszereknél már jóval szűkebb a lehetőségek tára, elsősorban a védőkészülékek alkalmazása lehetséges, bár sok esetben a túlzsúfolt elosztók, rendezőszekrények jelentős korlátjai a megfelelő védelem kiépítésének.
Szinte minden műszaki problémára igaz, hogy az utólagos megoldás általában nehézkes (esetleg gyakorlatilag nem is lehetséges).
A jobb megoldás
A védekezési módot tekintve egyet leszögezhetünk: ha az objektum még tervezési stádiumban van, viszonylag sok lehetőségünk van a gazdaságos, műszakilag korrekt védelem kiválasztására, a gyengeáramú rendszerek esetleges módosítására. Fontos minden ilyen esetben a szaktervezők megfelelő együttműködése, a tervek iterációs jellegű elkészítése.
Jellegzetes hibák
1. Az „olcsó” megoldás
Mivel a tenderterv szinten kimaradt a zavarvédelem, a kiviteli terv szinten sem szükséges foglalkozni vele. Majd az üzemeltető megoldja a felmerülő problémákat. Mint már jeleztük, a problémák nagy része utólag rendkívül nehezen és költségesen oldható csak meg. A valóságban ez azt jelenti, hogy az üzemeltető személyzet maximum részmegoldásig jut el, a sokmilliós értéket képviselő eszközök vagy nem működtethetők megfelelően, illetve előbb vagy utóbb tönkremennek.
2. „Mindent (?) bele”
Biztos, ami biztos alapon mindent ellátunk szűrővel, túlfeszültségvédelemmel, technikai földelővel, esetleg árnyékolást is telepítünk a transzformátor fölé. Tekintve a bekerülési költségeket ez nem elsősorban gazdaságos megvalósítási forma, de miközben egyfelől pazarló, másfelől kellő szakmai kompetencia híján előfordul, hogy a fontos eszközök nem kapnak védelmet.
3. „A sztereotip” védelem
A védelmet szakmai (téves) ökölszabályok alapján oldják meg. Néhány példa.
Az UPS megoldja a túlfeszültségvédelmet. Ez így nem igaz: általában a saját túlfeszültségvédelmét sem oldja meg. A betonvas árnyékol. Ez igaz, de sajnos rendkívül keveset, alig néhány dB-t. Elég ha csak B osztályú túlfeszültségvédelmet építünk be. Elég. Elég kevés. Ez a szint ugyanis nem alkalmas az érzékeny berendezések megvédésére sem működési sebességénél, sem megszólalási feszültségénél fogva. A zavarvédelem = elkülönített technikai földelő. Más nem szükséges. A megfelelő földelés rendkívül fontos, de az elkülönített földelő sok esetben inkább bajt okozhat, mint hasznot és nem helyettesítheti – mert nem képes rá – a többi védelmi intézkedést, megoldást.
Összefoglalás
E cikkünkkel az EMC területén tett kirándulásunk végére értünk: mint minden kirándulás, ez is csak felületes, átfogó képet adhatott az elektromágneses zavarvédelem világáról. Próbáljuk meg most – mintegy lezárásként – megfogalmazni a levonható tanulságokat.
- Eredményesen és gazdaságosan védekezni csak akkor tudunk, ha már ismerjük a zavarok fizikai mibenlétét és okát.
- Az elektromágneses zavarok sokféle módon keletkezhetnek, s több úton-módon juthatnak be a zavart rendszerbe. Ezért a védekezés második lépése (nem tévedés, lesz majd szó az első lépésről is!) a zavarforrás felderítése és a becsatolás módjának tisztázása. Ez általában komoly szakmai tapasztalatot és megfelelő méréstechnikai hátteret igényel, különösen fontos a mérési eredmények helyes értelmezése.
- Ahogyan a zavarok, úgy a védekezési módok, eljárások is rendkívül széles skálán helyezkednek el, (esetleg) más és más szakterület szakértőinek bevonását igényelve.
- Itt sem léteznek csodák: univerzális, minden problémát egyidejűleg orvosoló megoldások sajnos csak a mesében vannak. Sőt, még az is előfordulhat, hogy ami az egyik EMC területen javít a helyzeten, a másik területen ront.
Az általunk legfontosabbnak ítélt momentumot – a védekezés első lépését a felsorolás végére hagytuk.
Manapság az épületek méretei s a bennük működő (vagy nem működő) villamos alrendszerek száma többszörösére nőtt az elmúlt 20-30 évben.
Kis túlzással 30 éve egy irodaépület villamos berendezései, hálózatai döntően csak a világítást ellátására szolgáltak – leszámítva a telexgépet és a kávéfőzőt. Ennek megfelelően a tervezési folyamat is egyszerű volt. (1. ábra)
1.ábra
A XXI. századra a villamos tervező munkája az energiaellátás és a szokásos elosztó hálózat tervezése során többszörösére nőtt, s feladatainak megoldásához különféle szakterületek részletes ismeretére, a szakági tervezőkkel intenzív együttműködésre lenne szükség, miközben a tervezésre fordítható idő egyre csökken, s az alrendszerek száma nő. (2. ábra)
2.ábra
Nyilvánvaló, hogy ilyen körülmények között nem kérhető számon a villamos tervezőtől a zavarvédelem megoldása, s a többi szakági tervező sem tudja garantálni az épület gépészeti és villamos alrendszereinek zavarmentes együttműködését.
Be kell látnunk, hogy a megoldást egy újabb „szakági” terv, az elektromágneses zavarvédelmi terv jelenti. (A szakemberek szokták ezt EMC tervként is emlegetni.)
A speciális ismeretekkel rendelkező zavarvédelmi tervező az összes szaktervezővel együttműködve az épület összes villamos rendszerére ad ajánlásokat, javaslatokat a szaktervezőnek, illetve megtervezi a speciális védelmi intézkedéseket, rendszereket a villamos rendszerek összességét figyelembe véve. Ezt az új, de már meghonosodó tervezési módot mutatja a 3. ábra.
3.ábra
Ha már így készül egy új objektum kiviteli terve, jó esély van a zavarmentes üzemeltetésre.
„Az egyetlen olcsón és könnyen elhárítható zavar az, ami nem is létezik.”
